Уникальные преимущества сканирующих зондовых микроскопов
Принцип работы сканирующего зондового микроскопа основан на различных физических свойствах в микроскопическом или мезоскопическом диапазоне. Взаимодействие между ними обнаруживается путем сканирования сверхтонким зондом атомных линий над поверхностью исследуемого вещества, чтобы получить результаты взаимодействия между ними. При изучении поверхностных свойств вещества основным различием между различными типами СЗМ являются свойства их зонда и соответствующий им способ взаимодействия зонда с образцом.
Принцип работы основан на принципе туннельного проникновения в квантовой механике. Его сердцевина представляет собой наконечник, который может сканировать поверхность образца и имеет определенное напряжение смещения между ним и образцом. Его диаметр находится на атомном уровне. Поскольку вероятность туннелирования электронов имеет отрицательную экспоненциальную связь с шириной потенциального барьера V(r), при очень близком расстоянии между иглой и образцом потенциальный барьер становится очень тонким и электронные облака перекрывают друг друга. При приложении напряжения электроны могут переноситься от иглы к образцу или от образца к игле за счет туннельного эффекта, образуя туннельный ток. Регистрируя изменения туннельного тока между иглой и образцом, можно получить информацию о морфологии поверхности образца.
По сравнению с другими технологиями анализа поверхности СЗМ имеет уникальные преимущества:
(1) Он имеет высокое разрешение на атомном уровне. Разрешение СТМ в направлениях, параллельных и перпендикулярных поверхности образца, может достигать 0,1 нм и 0,01 нм соответственно, и могут быть разрешены отдельные атомы.
(2) Трехмерное изображение поверхности в реальном пространстве может быть получено в реальном времени, что может быть использовано для изучения поверхностных структур с периодичностью или без нее. Эти наблюдаемые характеристики можно использовать для изучения динамических процессов, таких как поверхностная диффузия.
(3) Можно наблюдать локальную структуру поверхности отдельного атомного слоя, а не отдельное изображение или усредненные свойства всей поверхности. Таким образом, можно непосредственно наблюдать поверхностные дефекты, реконструкцию поверхности, форму и положение поверхностных адсорбированных тел, а также эффекты, вызванные адсорбированными телами. Реконструкция поверхности и т.д.
(4) Он может работать в различных средах, таких как вакуум, атмосфера и нормальная температура, и даже может погружать образцы в воду и другие растворы. Никакой специальной технологии подготовки проб не требуется, и процесс обнаружения не повредит образцы. Эти функции особенно подходят для изучения биологических образцов и оценки поверхности образцов в различных экспериментальных условиях, таких как мониторинг гетерогенных каталитических механизмов, сверхпроводящих механизмов и изменений поверхности электродов во время электрохимических реакций.
(5) В сочетании со сканирующей туннельной спектроскопией (STS) можно получить информацию о поверхностной электронной структуре, например, о плотности состояний на разных уровнях поверхности, поверхностных электронных ловушках, изменениях поверхностных потенциальных барьеров и структурах с энергетической щелью. .
